I. Tổng quan thiết kế ly hợp hộp số MT và CVT xe khách
Hệ thống truyền lực đóng vai trò cốt lõi trong kết cấu ô tô hiện đại. Cụm truyền động quyết định trực tiếp đến tính năng động lực học và độ êm dịu khi vận hành. Trong đồ án thiết kế ô tô hiện đại, việc nghiên cứu tổ hợp ly hợp cùng hộp số MT và CVT trên xe khách đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe. Xe khách đòi hỏi khả năng chuyên chở lớn, vận hành bền bỉ và tiết kiệm nhiên liệu trên các cung đường hỗn hợp. Ly hợp thực hiện nhiệm vụ ngắt và nối êm dịu dòng truyền mô men từ động cơ đến hộp số. Cơ cấu này bảo vệ hệ thống truyền lực khỏi hiện tượng quá tải khi phanh gấp hoặc sang số. Bên cạnh đó, hộp số đảm nhận chức năng biến đổi tỷ số truyền, thay đổi mô men xoắn và tốc độ phù hợp với sức cản chuyển động. Hộp số cơ khí ba trục năm cấp mang lại hiệu suất truyền động cao và độ tin cậy vượt trội. Song song với đó, việc nghiên cứu hộp số CVT mở ra giải pháp tối ưu hóa liên tục công suất.
1.1. Vai trò của ly hợp ma sát trên xe khách hiện đại
Ly hợp ma sát là bộ phận trung gian kết nối động cơ và hệ thống truyền lực. Thiết bị có chức năng cắt truyền động nhanh chóng dứt khoát khi chuyển số. Trong quá trình khởi hành, ly hợp đóng êm dịu để truyền mô men từ từ sang trục sơ cấp hộp số. Điều này hạn chế tối đa hiện tượng giật cục gây khó chịu cho hành khách. Cơ cấu ma sát khô một đĩa với lò xo màng được ưu tiên ứng dụng. Kết cấu này sở hữu kích thước nhỏ gọn, lực ép phân bố đều và độ bền nhiệt cao. Ngoài ra, ly hợp còn đóng vai trò cơ cấu an toàn, chống hiện tượng xoắn gãy trục khi xảy ra mô men quán tính quá mức.
1.2. Nhiệm vụ của hộp số cơ khí MT và hộp số vô cấp CVT
Hộp số giữ vai trò biến đổi mô men xoắn và vận tốc góc từ trục khuỷu động cơ đến các bánh xe chủ động. Cụm truyền lực này cho phép xe thay đổi chiều chuyển động thông qua số lùi và ngắt dòng công suất lâu dài khi nổ máy dừng xe. Hộp số sàn MT sử dụng các cặp bánh răng ăn khớp cố định, phân bổ các cấp số từ một đến năm. Cơ cấu đồng tốc trên các cấp số tiến bảo đảm chuyển số nhẹ nhàng và không gây va đập răng. Trong khi đó, hộp số vô cấp CVT điều chỉnh bán kính puli chủ động và bị động liên tục. Giải pháp này giúp động cơ luôn hoạt động ở vùng tiêu hao nhiên liệu tối ưu.
II. Phân tích phương án thiết kế ly hợp hộp số MT và CVT xe khách
Quá trình thiết kế hệ thống truyền lực xe khách đối mặt với nhiều yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Trọng tải toàn bộ của xe khách thường biến thiên lớn giữa trạng thái không tải và đầy tải. Do đó, việc lựa chọn kết cấu ly hợp và sơ đồ động học hộp số cần được phân tích kỹ lưỡng. Đối với ly hợp, bài toán cân bằng nhiệt và giảm công trượt đóng vai trò then chốt. Sự phát nhiệt quá mức trong quá trình đóng ly hợp dễ làm suy giảm hệ số ma sát và giảm tuổi thọ đĩa ma sát. Đối với hộp số cơ khí MT, việc lựa chọn giữa sơ đồ hai trục và ba trục đồng tâm quyết định kích thước khoang động lực. Hộp số hai trục đơn giản nhưng hạn chế về tỷ số truyền lớn và không có số truyền thẳng. Hộp số ba trục đồng tâm giải quyết triệt để bài toán tỷ số truyền số một lớn, đồng thời tối ưu hiệu suất ở số truyền thẳng. Đối với CVT, khả năng chịu xoắn của đai kim loại là rào cản chính. Việc kiểm soát tỷ số truyền vô cấp đòi hỏi tính toán chính xác.
2.1. Đánh giá ưu nhược điểm sơ đồ hộp số hai trục và ba trục
Hộp số hai trục sở hữu kết cấu nhỏ gọn và cấu tạo đơn giản. Loại hộp số này phù hợp với dòng xe du lịch có động cơ đặt phía trước dẫn động cầu trước. Tuy nhiên, kích thước đường kính bánh răng tăng nhanh khi yêu cầu tỷ số truyền tay số một lớn. Điều này gây khó khăn cho việc bố trí trên xe khách tải trọng lớn. Ngược lại, hộp số ba trục đồng tâm phân chia tỷ số truyền qua cặp bánh răng truyền động chung và cặp bánh răng gài số. Cách bố trí này giúp giảm kích thước hướng kính của hộp số. Số năm truyền thẳng giúp giảm thiểu ma sát, nâng cao độ bền bánh răng và tiết kiệm nhiên liệu khi chạy đường dài.
2.2. Vấn đề nhiệt và tải trọng ma sát trong thiết kế ly hợp
Quá trình khởi hành của xe khách sản sinh công trượt ma sát cực đại tại bề mặt đĩa bị động. Sự trượt tương đối giữa bánh đà, đĩa ép và tấm ma sát làm tăng nhiệt độ tức thời của các chi tiết kim loại. Nếu nhiệt lượng không được giải tỏa kịp thời, vật liệu ma sát amiăng hoặc gốm kim loại sẽ bị cháy cục bộ. Hiện tượng này dẫn đến giảm đột ngột mô men ma sát và mất khả năng truyền lực. Vì vậy, việc xác định chính xác đường kính ngoài, đường kính trong của vành khăn ma sát và bề dày đĩa ép theo chế độ nhiệt là bài toán bắt buộc. Điều này giúp đảm bảo độ bền nhiệt và tuổi thọ vận hành liên tục.
III. Phương pháp tính toán thiết kế ly hợp hộp số MT và CVT xe khách
Quy trình tính toán hệ thống truyền lực bắt đầu từ việc xác định đặc tính ngoài động cơ và thông số tải trọng xe. Từ khối lượng toàn tải, vận tốc cực đại và bán kính bánh xe, các công thức động lực học giúp tính toán tỷ số truyền tay số một và khoảng cách trục. Đối với hộp số MT ba trục năm cấp, mô đun pháp tuyến được chọn phù hợp để bảo đảm độ bền uốn và bền tiếp xúc. Tỷ số truyền của cặp bánh răng luôn ăn khớp và các cặp bánh răng gài số được xác định tuần tự theo góc nghiêng răng. Song song với hộp số, ly hợp được tính toán dựa trên mô men cực đại của động cơ và hệ số dự trữ ma sát. Các thông số hình học như bán kính vành khăn ma sát và lực ép lò xo màng được chuẩn hóa. Công trượt riêng và độ tăng nhiệt đĩa ép qua các lần đóng được kiểm tra nghiêm ngặt. Đối với phương án hộp số tự động vô cấp CVT, bài toán tập trung tính toán đường kính puli côn và khoảng cách trục. Việc xác định góc ôm đai bảo đảm truyền đủ mô men xoắn.
3.1. Tính toán kích thước bánh răng và trục hộp số MT
Khoảng cách trục A được xác định từ mô men xoắn cực đại của động cơ qua hệ số thực nghiệm. Dựa vào khoảng cách trục tính toán A = 109 mm, mô đun pháp tuyến m = 3 mm và góc nghiêng răng beta = 22 độ được lựa chọn. Số răng bánh răng chủ động Z1 = 17 răng giúp xác định chính xác tỷ số truyền cặp bánh răng gài số một ig1 = 2,96. Tiếp theo, tỷ số truyền cặp bánh răng luôn ăn khớp ia = 1,22 được thiết lập. Từ các giá trị này, số răng và kích thước hình học của từng cặp bánh răng số hai, số ba, số bốn và số lùi được xác định. Toàn bộ trục và then hoa được kiểm nghiệm bền uốn, bền xoắn theo giới hạn mỏi cho phép.
3.2. Tính toán lực ép công trượt và chế độ nhiệt đĩa ép ly hợp
Mô men ma sát yêu cầu của ly hợp được xác định qua hệ số dự trữ ma sát beta = 1,75. Bán kính ngoài R2 và bán kính trong R1 của tấm ma sát được tính từ điều kiện áp suất tiếp xúc cho phép không vượt quá 0,25 MPa. Lực ép tổng cộng do lò xo màng sinh ra bảo đảm đĩa ép ép chặt tấm ma sát vào bánh đà động cơ. Công trượt riêng sinh ra trong quá trình khởi hành xe ở tay số một được tính toán chi tiết. Độ tăng nhiệt độ Delta T của đĩa ép sau mỗi lần khởi động được giới hạn dưới 10 độ C. Bề dày đĩa ép được tính toán tối thiểu 15 mm nhằm đảm bảo dung tích nhiệt và độ cứng vững chống cong vênh.
IV. Ứng dụng và so sánh thiết kế ly hợp hộp số MT và CVT xe khách
Kết quả đồ án thiết kế ô tô hiện đại mang lại góc nhìn toàn diện về tính khả thi của hai phương án truyền lực trên xe khách. Hộp số cơ khí MT kết hợp ly hợp ma sát khô thể hiện sự vượt trội về độ bền cơ học và chi phí sản xuất thấp. Kết cấu ba trục năm cấp với số năm truyền thẳng mang lại hiệu suất truyền động đạt trên 92% khi xe chạy trên đường trường. Khả năng chịu tải va đập và tính dễ sửa chữa bảo dưỡng của hộp số sàn rất phù hợp với điều kiện vận hành xe khách liên tỉnh. Trong khi đó, hộp số tự động vô cấp CVT mở ra tiềm năng lớn cho các dòng xe khách đô thị hiện đại. Hộp số CVT loại bỏ hoàn toàn các bước ngắt dòng lực khi chuyển số, mang lại sự êm ái tối đa cho hành khách. Mặc dù chi phí chế tạo đai thép và hệ thống điều khiển cao hơn, CVT giúp động cơ duy trì dải vòng tua tối ưu nhiên liệu. Việc ứng dụng linh hoạt hai phương án giúp tối ưu chi phí và vận hành.
4.1. Hiệu quả vận hành thực tế của hộp số sàn MT trên xe khách
Hộp số sàn MT 5 cấp mang lại hiệu quả kinh tế cao cho các doanh nghiệp vận tải hành khách đường dài. Cấu trúc bánh răng nghiêng ăn khớp liên tục giúp hệ thống đạt độ bền mỏi cao và chịu quá tải tốt. Người lái có thể chủ động lựa chọn cấp số thích hợp theo địa hình đèo dốc hoặc đường trường. Cụm ly hợp ma sát một đĩa có chi phí thay thế thấp và dễ dàng kiểm tra định kỳ. Khi kết hợp với số năm truyền thẳng, hộp số đạt hiệu suất truyền lực tối đa do không tổn hao công suất qua các cặp bánh răng trung gian, từ đó giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu.
4.2. Tiềm năng phát triển hộp số tự động CVT cho xe khách đô thị
Hộp số tự động vô cấp CVT là giải pháp lý tưởng cho xe khách vận hành trong môi trường đô thị mật độ cao. Cơ chế thay đổi tỷ số truyền vô cấp giúp xe tăng tốc mượt mà, không xảy ra hiện tượng giật cục khi dừng đỗ đón trả khách liên tục. Hệ thống điều khiển điện tử tự động căn chỉnh tỷ số truyền theo phụ tải và chân ga. Điều này giúp động cơ luôn hoạt động trong vùng tiêu hao nhiên liệu tối ưu nhất, giảm lượng khí phát thải độc hại. Xu hướng tích hợp đai kim loại chịu tải cao và hệ thống bôi trơn làm mát hiện đại giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của CVT trên các dòng xe khách cỡ vừa và lớn.
